雷 磊，萬 昊，吳 健，王 良，薛 軍，馬悅紅，盧 鵬，侯澤權(quán)，秦 博

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國網(wǎng)（西安）環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100；3.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048；4.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

新版《中華人民共和國水土保持法》規(guī)定[1-2]，水土保持監(jiān)測工作十分重要，它是國家水土保持工作的重要組成部分，水土保持工作能否正常開展，將對政府決策、經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展和社會公眾服務(wù)等方面產(chǎn)生重大而不容忽視的影響。為了解決輸變電工程造成的水土流失問題，一系列監(jiān)測技術(shù)也不斷被研究出來，其中測釬法是比較常用的方法，但是它存在監(jiān)測精度不高、受人為活動擾動頻繁、易受破壞等缺點[3]，因此研究一種更加方便，準確的監(jiān)測方法以及設(shè)備是十分有必要的。

1 水土保持監(jiān)測的作用

水土保持監(jiān)測對于水土保持工作有重要作用：通過水土保持監(jiān)測，能及時獲得土壤流失量的準確而全面的信息，從而能更詳細地掌握被監(jiān)測地區(qū)土壤流失現(xiàn)狀；將各個時間點，各個監(jiān)測地點的數(shù)據(jù)進行可視化，能夠更加直觀地反映監(jiān)測地點水土流失的嚴重程度；在監(jiān)測過程中會得到大量的信息數(shù)據(jù)，通過對它們進行合理的分析處理可以建立水土流失模型，進而分析出監(jiān)測地點水土流失的原因和解決方法[4]。

因此，為了保證水土保持工作的效果就對水土保持監(jiān)測中得到的數(shù)據(jù)提出了很高的要求，數(shù)據(jù)越真實穩(wěn)定，對水土保持工作的開展就越有利，就可以制定出更加合理的解決措施，改善甚至避免水土流失的出現(xiàn)，更好地保護監(jiān)測點的生態(tài)環(huán)境。

2 特高壓輸變電工程對水土流失的影響

由于±800 kV 特高壓輸變電工程具有覆蓋面積大、施工速度快、線路沿線地型復(fù)雜多變、塔基范圍小且分散等特點[5]。因此，與其他項目相比特高壓輸變電工程會引起更加嚴重的水土流失情況。其主要原因為以下3點：

在工程建設(shè)過程中，由于施工、土地開挖和塔基施工等，會形成大量裸露的地表，是土壤侵蝕的主要影響因素。

線路經(jīng)過地區(qū)的土壤大多有機質(zhì)含量低，抗侵蝕能力差，遇暴雨易發(fā)生土壤侵蝕。

次生植被和表層結(jié)皮能有效地防止土壤侵蝕，保護生態(tài)環(huán)境。但工程建設(shè)過程中會對現(xiàn)有植被及表層結(jié)皮造成不可避免的破壞，一旦遭遇暴雨，極易造成土壤侵蝕[6]。

由于以上原因引起的水土流失會不斷破壞當(dāng)?shù)厝嗣竦纳姝h(huán)境，影響他們的生活質(zhì)量進而阻斷當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

3 水土保持監(jiān)測方法

3.1 測釬法

測釬法已廣泛應(yīng)用于分散的土狀堆積物形成的穩(wěn)定坡面土壤流失觀測中[7]。該方法具體操作為：

將若干測釬有規(guī)律的插入被測坡面，常見為9根測釬方陣，按照3×3的規(guī)律分布。

安裝測釬后，尋找與土壤表層持平的位置并做標記，該位置即為原始高度點。

需要人工定期前往監(jiān)測地點計算地表土層降低的厚度。

將步驟3 得到的數(shù)據(jù)進行分類整理，進而計算出土壤流失量，土壤侵蝕強度等水土流失量相關(guān)數(shù)據(jù)。

測釬法需要測量人員定期前往監(jiān)測點觀測記錄各個測釬的狀態(tài)，通過人工對每根測釬的地表降低厚度進行測量。經(jīng)過實踐表明，測釬法確實具有靈活方便、材料普適性好、安裝簡單、成本低廉的優(yōu)點，但同時缺點也不容忽視，測釬法需要大量的監(jiān)測人員導(dǎo)致監(jiān)測耗時耗力，而且監(jiān)測地點頻繁受到監(jiān)測人員的擾動極容易破壞監(jiān)測點，也會給測量精度造成影響。

因此，為了解決上述問題，本文提出使用光敏測釬裝置代替常規(guī)測釬，加上通信裝置，從而無須定期前往監(jiān)測地點，即可自動監(jiān)測位于坡面上的各個測釬中的光敏元件，尋找其中最靠近坡面的光敏元件，記錄其位置并據(jù)此計算得到地表降低厚度。

3.2 光敏測釬

3.2.1 光敏測釬的組成

光敏測釬整體由測釬桿、光敏元件組、信號處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和太陽能光伏板這5 部分組成。與傳統(tǒng)測釬不同，光敏測釬不僅擁有更高的測量精度而且可以進行能量自給，通過太陽能發(fā)電為整個測釬提供能量，實現(xiàn)了綠色環(huán)保。

光敏測釬的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中光敏元件組是嵌入式安裝在測釬桿中，其主要作用就是測量水土的流失量；太陽能光伏板安裝在測釬桿的最上方利于接收太陽能。信號處理模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與太陽能光伏板集成在一起都放于測釬的頂部。

圖1 光敏測釬結(jié)構(gòu)圖

按照上述原理圖制作出實物，白色部分內(nèi)嵌光敏元件，信號處理模塊，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和太陽能光伏板全部位于最上方的圓柱體內(nèi)部。

3.2.2 光敏測釬的工作原理

光敏測釬安裝后通過其頂部的太陽能板（如圖2所示）接收太陽光，為整個測釬的工作提供電能。信號處理模塊可以接收電源控制的信號，通過電源控制其他各個芯片的工作狀態(tài)。

圖2 太陽能光伏板

測釬桿中嵌入的光敏元件隨著安裝埋入地底，其中一部分會被遮擋不發(fā)出信號，剩余一部分裸露在底層表面會發(fā)出信號。信號處理模塊（如圖3 所示）會定時監(jiān)測這些信號，判斷出哪些光敏元件被遮擋哪些未被遮擋，并且找出最下方那一個未被遮擋的光敏元件，進而計算出測量時的坡面厚度。同時，為了提高測釬裝置的精度，在單位長度內(nèi)盡可能多地安裝光敏元件，光敏元件排列越密集，測量的間隙就越小，測量的精度就越高。常用的測量精度為1 mm，即在24 cm 范圍內(nèi)均勻排列240 個光敏元件，對于測量精度要求更高的場合也可以均勻排列更多光敏元件以滿足精度要求。

圖3 信號處理模塊

為了方便計算，可以將光敏元件按照自下至上，從小到大的順序依次編號，假設(shè)上次測量時，最下方那一個未被遮擋的光敏元件的編號是100，本次測量時，最下方那一個未被遮擋的光敏元件的編號是98，則說明坡面下降了(100-98)×1=2 mm。由于光敏元件只與光照有關(guān)，與溫度、濕度、氣壓等因素?zé)o關(guān)，因此采用光敏測釬可以避免外界各種因素的影響得到更加穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

本文以陜西—湖北的特高壓直流輸電工程為例，該輸電線路設(shè)有8個監(jiān)測站點，每個監(jiān)測站點由9根光敏測釬裝置，以30 min 為步長進行定期自動采集數(shù)據(jù)，即一天24 h 內(nèi)會得到48×9 個測釬數(shù)據(jù)，結(jié)合實際情況對其中某個站點進行分析。由于光敏測釬是由太陽能光伏供電因此晚上無法工作，再加上現(xiàn)場實際情況的限制（惡劣氣候、小動物碰觸）導(dǎo)致每天獲得數(shù)據(jù)只有一部分是有效的，如表1 所示（因篇幅原因僅展示其中3 根測釬數(shù)據(jù)，不同）。

表1 某站點8月第一天測釬原始數(shù)據(jù) mm

先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除異常值，包括奇異值（數(shù)據(jù)極大和極小值），缺失數(shù)據(jù)和明顯不正確的數(shù)據(jù)（土壤損失量為負值的情況），計算預(yù)處理的結(jié)果中每天48個數(shù)據(jù)（零值數(shù)據(jù)除外）的平均值作為日均測釬數(shù)據(jù)，這里只展示某站點8 月日均測釬數(shù)據(jù)如表2所示。

將表2 的數(shù)據(jù)按行相減可得的日均測釬變化量數(shù)據(jù)，如表3所示。

表2 某站點8月日均測釬數(shù)據(jù) mm

表3 某站點8月日均測釬值變化量 mm

為了更好地分析變化量，將其進行可視化分析如圖4所示。

圖4 某站點8月日均測釬值變化趨勢

根據(jù)測量得到的土壤厚度變化值就可以進行計算其他水土流失參數(shù)，如表4 所示，以土壤侵蝕模數(shù)為例。

表4 某站點8月土壤侵蝕模數(shù)

4 結(jié)束語

特高壓輸變電工程會導(dǎo)致大范圍的水土流失，因此在原有輸變電工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用光敏測釬代替原有測釬，提高了測釬的精度。通過定時自動獲取測釬數(shù)據(jù)，進行計算監(jiān)測點的土壤侵蝕模數(shù)。光敏測釬裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于±500 kV特高壓輸變電工程中，并通過某站點8月的數(shù)據(jù)進行分析，為減少因特高壓輸變電工程引起的水土流失現(xiàn)象提供了參考。